автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Повышение эффективности гидропневматической силовой импульсной системы многоцелевой строительно-дорожной машины

На правах рукописи

Щекочнхин Александр Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ МНОГОЦЕЛЕВОЙ СТРОИТЕЛЫЮ-ДОРОЖНОЙ МАШИНЫ

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 мдр т

Орел-2012

005011941

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» (ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», г. Орел).

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Ушаков Леонид Семенович

Официальные оппоненты:

Жабин Александр Борисович, доктор технических наук, профессор, Тульский государственный университет, профессор кафедры «Геотехнологии и строительство подземных сооружений»;

Рябчук Семен Александрович, кандидат технических наук, доцент, ООО ИНТЦ «Орел-инжиниринг», старший научный сотрудник.

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное образовательное

учреждение высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.». Зашита состоится 29 марта 2012 г. В14 часов на заседании диссертационного совета ДМ.212.182.07 при федер&чьном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс» по адресу: 302030, Орел, ул. Московская, д. 77, ауд. 426 (зал защиты диссертаций).

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ФГБОУ ВПО «Госуниверситет -УНПК» по адресу: 302020, г. Орел, Наугорское шоссе, д.29.

Отзывы на автореферат направлять в диссертационный совет по адресу: 302020, г. Орел, ул. Наугорское шоссе, д.29.

Автореферат разослан 22 февраля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

А. Л. Севостьянов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы Для увеличения объема производства нерудных строительных материалов более чем в два раза, в соответствии со стратегией развития промышленности строительных материалов на период до 2020 г., большое внимание должно уделяться новым технологиям ведения работ и технике для их осуществления. Поэтому, в последние годы активно развиваются гидропневматические силовые импульсные системы многоцелевых строительно-дорожных машин (СДМ), применяемые при дроблении пород, разрушении твердых покрытий, строительных конструкций.

Однако, лишь незначительная часть выпускаемых базовых СДМ проектировалась с учетом возможности оснащения их гидравлическими устройствами ударного действия (ГУ-УД), которые, обычно, устанавливаются на манипуляторах и находятся на периферии по отношению к насосным станциям. Это приводит к нарушению согласованности параметров гидропривода и ГУУД, уменьшению КПД гидропневматической силовой импульсной системы, снижению производительности оборудования. Причиной тому является сложность гидропневматических силовых импульсных систем, характеризующихся протяженностью и большим числом различных, включенных в нее, элементов, сложностью их характера функционирования, включающем совокупности состояний.

В связи с этим, исследования по повышению эффективности работы гидропневматической силовой импульсной системы СДМ, направленные на обоснование параметров гидропривода и совершенствование конструкции ГУУД являются актуальным» для развития производственной базы строительных и дорожных машин.

Исследования выполнялись в рамках этапа темы ЕЗН Министерства высшего образования РФ (тема 1.6.05, № госрег 0120.0 504939, инв. № 5697, ОрелГТУ, 2006), «Установление и исследование зон устойчивости режимов движения, гидропневмомеханических систем с внешними воздействиями в виде случайных функций», а также в рамках программы работы УИЛ (ПНИЛ) «Импульсные технологии» за 2007-2011 гг. ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» (ранее ГОУ ВПО ОрблГТУ).

Цель работы - повышение эффективности гидропневматической силовой импульсной системы СДМ, за счет обеспечения установившегося режима работы, при заданной ее энерговооруженности.

Идея работы: установившийся режим работы системы, при заданной энерговооруженности СДМ, достигается на основе регулирования давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора и сопротивления сливного трубопровода из ГУУД, а также введения силовой пневмокамеры в ГУУД.

Для достижения цели поставлены и решены задачи:

- выполнить обзор и анализ области применения, результатов теоретических и экспериментальных исследований, установить критерии оценки эффективности гидропневматических силовых импульсных систем;

- разработать математическую модель гидропневматической силовой импульсной системы, описывающею разветвленную гидравлическую схему и динамические процессы в ее элементах;

- провести экспериментальные исследования гидропневматической силовой импульсной системы на полноразмерном стенде для определения режимов работы и основных влияющих факторов, выполнить оценку сходимости результатов численных расчетов и экспериментальных данных;

- провести вычислительные эксперименты для количественной оценки основных влияющих факторов на режимы работы гидропнсвматической силовой импульсной системы, а также силовой пневмокамеры в ГУУД;

- разработать рекомендации по обеспечению установившихся режимов работы и совершенствованию конструкции гидропневматических силовых импульсных систем.

Объектом исследования является гидропневматическая силовая импульсная система с ГУУД с управляемой камерой рабочего хода.

Предметом исследования являются динамические процессы взаимодействия функциональных элементов в гидропневматической силовой импульсной системе.

Методы исследований: анализ области применения и результатов теоретических и экспериментальных исследований импульсной техники; математическое моделирование процессов в гидропневматической силовой импульсной системе; экспериментальные исследования режимов работы системы; статистическая обработка экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель гидропневматической силовой импульсной системы на основе метода объектно-ориентированного моделирования, отличающаяся тем, что описывает разветвленную гидравлическую схему и динамические процессы в ее элементах: предохранительном клапане, трубопроводах, ГУУД и других;

- в результате экспериментальных исследований установлено, что основными влияющими факторами на режим работы являются давление предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора в ГУУД и параметры сливного трубопровода из ГУУД;

- установлены зависимости, позволяющие определить рациональные значения давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора в ГУУД и параметров сливного трубопровода из ГУУД;

- обосновано введение в ГУУД с управляемой камерой рабочего хода силовой пнев-мокамеры, работающей совместно с гидравлической.

Достоверность полученных результатов достигается применением классических теорий механики твердого тела, жидкости и газа, прикладной теории ударных систем, а также известных математических методов решения дифференциальных уравнений и удовлетворительной сходимостью результатов численных расчетов и экспериментальных данных, полученных на полноразмерном стенде.

На защиту выносятся:

- математическая модель гидропневматической силовой импульсной системы и программа для ЭВМ «Ударник» (свидетельство о регистрации № 2011610771 от 13.01.2011) для исследования процессов в гидропневматических силовых импульсных системах;

- установленные факторы, влияющие на режим работы системы: давление предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора в ГУУД и сопротивление сливного трубопровода из ГУУД;

- зависимость для определения рационального давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора в ГУУД и методика определения работоспособности системы в зависимости от сопротивления сливного трубопровода из ГУУД.

Практическая ценность работы:

- создана программа для ЭВМ «Ударник» для исследования процессов в гидропневматических силовых импульсных системах (свидетельство о регистрации № 2011610771 от 13.01.2011);

- разработана новая конструкция клапанного механизма пневмогидравлического аккумулятора (заявка на получение патента №2011 140182 от 3.10.11);

- разработана новая схема ГУУД (защищена патентом №2412324);

- рекомендации по выбору рациональных параметров гидропневматических силовых импульсных систем строительных и дорожных машин.

Реализация работы:

- модернизирован стенд для экспериментальных исследований гидропневматических силовых импульсных систем;

создан модернизированный клапанный механизм пневмогидравлического аккумулятора;

- результаты исследований переданы кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» и УИЛ «Импульсные технологии» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет -УНПК» для использования в учебном процессе.

Апробация работы. Результаты моделирования и экспериментальных исследований представлялись и докладывались на научно-технических конференциях профессорско-

преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» (ранее ГОУ ВПО ОрелГТУ) (2008-2011 гг), IV международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2010 г.), региональной научно-практической конференции «ИНЖИНИРИНГ - 2009» (г. Орел, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, в т.ч. одна в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент и свидетельство о регистрации программы и подана одна заявка на патент.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 81 наименования, 6 приложений и содержит 181 страницу, в том числе 174 страницы основного текста, в котором 7 таблиц, 103 рисунка, и 7 страниц приложений.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении представлены: актуальность темы, цели и задачи исследования, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приводятся результаты обзора и анализа проблем возникающих при практическом использовании и теоретическом изучении гидропневматических силовых импульсных систем.

Большой вклад в развитие теории и практики гидропневматических силовых импульсных систем внесли: Алимов О. Д., Басов С. А., Ешуткин Д. Н., Клок А. Б., Лазугкин А. Г., Пи-вень Г. Г., Сагинов A.C., Султаналиев Б. С., Ураимов М, Ушаков Л. С., Янцен И. А. и другие отечественные и иностранные ученые.

Приведены критерии оценки эффективности гидропневматических силовых импульсных систем.

Анализ математических моделей показал, что упрощенно описываются такие элементы как механизм подачи, предохранительный клапан. При описании золотникового распределителя в ГУУД не учитываются давления жидкости в торцевых полостях блока и гидродинамические силы.

На основе проведенного анализа сформулированы задачи исследования.

Во второй главе описана математическая модель гидропневматической силовой импульсной системы (рис. 1) с ГУУД с управляемой камерой рабочего хода.

силовой импульсной системы и выделение объектов: А - аккумулятор напорный пиевмогидравлический; Б - буфер; Г - ГУУД; Гц - гидроцилиндр; Дн, Дс, Ду - давления в напорной, сливной и управления расточках, соответственно; Др - дроссель; 3 - золотник;

Кн - коллектор напорный, Кс - коллектор сливной (в модели описаны в объекте "коллектор"); Кнд - клапан непрямого действия; Я - плунжер; Г - тройник; Тн1-8 - напорные трубопроводы; Тс1-7 - сливные трубопроводы

Применен объектно-ориентированный метод моделирования, позволивший использовать известные модели отдельных элементов. При анализе принципиальной схемы (рис. 1) были выделены функциональные элементы и процессы: коллектор, гидроцилиндр, дроссель, клапан непрямого действия, трубопроводы напорные и сливные, ГУУД, реакция, давление, буфер и удар. Причем, в ГУУД: напорный пневмогидравлический аккумулятор, золотник, плунжер, датчик, давления в напорной, сливной и управления расточках, соответственно. Затем каждый функциональный элемент и процесс представлены как активные динамические объекты в соответствии с принципами языка MVL пакета моделирования Model Vision.

В качестве примера модели объекта, рассмотрим объект клапан непрямого действия (Кпд) - составной, поэтому разделен на три объекта: «основной клапан», «вспомогательный клапан» и «подача», в котором рассчитывается давление в напорной полости основного клапана, сливной полости основного и вспомогательного клапанов и общий расход на выходе из клапана. Расчетная схема давлений и расходов на рис. 2.

PsJk Рис. 2.

whenP;>R,

<1о СостоюШ(1 ¿о Состояние; (5о Состояние?

Расчетная схема давлений и расходов клапана непрямого действия и карта поведения объекта «основной клапан»

when i >l„

when BbsP,!>R, \

when z, <0

Объект «основной клапан» имеет три состояния: полностью закрыт - /; движение плунжера - 2; полностью открыт - 3 (рис. 2). Система уравнений, определяющих состояние № 2 - "движение" плунжера основного клапана:

Я ■ Рл ~ ¡>! • Р• ~ и Р ■- К ■ sig"(v,)-С-к,

d z, =_

Jr ~ М+М,

(О, -Ot+S,-v,\

dt " ' -

dt k

(1)

(2)

dt

P, = s, ■ l>„ - S, • p, - С ■ (z, + 2„); (3 )

-{a-Ж-D;,A^MpI^J-a]' (4)

R,=M-g-f„\ (6)

E .1o-o.+s.r)' (7)

(8)

ft,-s-sigii(j>* - IK)• -Qr

" ^ Ф (9)

где г,, V, - текущая координата и скорость центра тяжести плунжера основного клапана, соответственно, м, м/с; Р, - сумма сил давления жидкости и сжатия пружины, действующих на плунжер клапана, Н; Я, - сила трения, Н; М - масса плунжера клапана, кг;/,/ - коэффициент трения; £ - ускорение свободного падения, м/с2; 5,-, $ - рабочие площади плунжера клапана со стороны напорной линии и межклапанной полости, соответственно, м2; и - кинематическая вязкость рабочей жидкости, м2/с; & - площадь щели в сопряжении основной клапан -втулка, м2; С - жесткость пружины основного клапана, Н/м; г„ - предварительное сжатие

пружины основного клапана, м; Е - модуль упругости жидкости, Па; V - объем межклапанной полости, м3;//; - коэффициент расхода через жиклерное отверстие; 5 - площадь жиклер-ного отверстия клапана, м2; р- плотность жидкости, кг/м3; В; - параметр, характеризующий расход через жиклерное отверстие клапана, с"1; 4 - длина жиклерного отверстия основного клапана, м; ^ - коэффициент гидравлического сопротивления жиклерного отверстия; В; -параметр, характеризующий расход через основной клапан, с"', - зазор в сопряжении основной клапан - втулка, м; Л/, - присоединенная масса пружины и жидкости, равная 0,5 массы пружины, кг; О - диаметр плунжера клапана, коэффициент расхода через клапан; // -длина столба жидкости в отверстии клапана, м;- коэффициент гидравлического сопротивления основного клапана; р^рсрм - давления (рис. 2), Па; ()„ <2к, <2, - расходы (рис. 2), м3/с.

Объект «ГУУД» кроме самого устройства, включает подвижную раму стенда, к которой жестко крепится корпус устройства. Для разработки математической модели составлены схемы: действующих сил (рис. 3. а), давлений и расходов (рис. 3. б).

При составлении уравнений сделаны допущения: стенки корпусов и металлические патрубки абсолютно жесткие; сила сухого фения манжет о корпус находится в линейной зависимости от давления; динамика неуправляемого плунжера золотникового распределителя не учитывается; гидроудар и волновые явления не учитываются.

Основные уравнения объекта «ГУУД»:

¿'у _ (- Р, ■ * Р, ■ - - К, + д. - р,, + И, - /■-„ - И. ■ Л-1УЯ (у)- 1-, - «,) ; (Ю)

<!г {¿1,+М,}

¡1'-Ь _ (¡>, ■ ■>', - Р, ■ + /•'„ + д + К, + Д. ■ .Н8д(у) + У, + К,) : (Ц)

+ ; (12) иг м,

а'х - Р, ■ г. + - К, - Я. - д, ■ -/>,,• 2 ■ -У. + 5, - Г„ - /•,„ + !■■„ + !■;„, ■ (13)

л1 м,

-(>.,-*■(>„ -с,. -а,, •'„);

(15)

где у, Ь, /, г - текущие координаты центров тяжести корпуса ГУУД, жестко закрепленного на подвижной раме, бойка, инструмента, золотника, соответственно, м; ¡р - площади камер холостого и рабочего хода, соответственно, м2; - внешняя сила (от гидроцилиндра подачи), Н; Гц - силы трения между бойком и корпусом, инструментом о корпусом, подвиж-

ной рамы о направляющие, Н; Д» - реакция, возникающая при ударе бойка о корпус, Н; Д/ -реакция, возникающая при взаимодействии корпуса и инструмента, Н; Я,» - сила трения манжет, Н; V - относительная скорость корпуса и бойка, м/с; /ч-, /\у,„ - силы вязкого трения между бойком и корпусом, золотником и корпусом, неуправляемым плунжером и золотником, соответственно, Н; Из - реакция между бойком и корпусом, при полностью выдвинутом бойке, Н; Му , Л/г, Мь, Л/г, М) - массы корпуса, подвижной рамы, бойка, золотника, инструмента, соответственно, кг; И - реакция, возникающая при взаимодействии бойка и инструмента, Н; У), - реакция от буфера на инструмент, Н; г - координата центра тяжести золотника, м; лг - площадь торца неуправляемого плунжера, м2; - сила трения золотника о корпус, Н; К, - реакция, возникающая при взаимодействии золотника и корпуса, Н; Бц, Э7 - площади правого и левого торцов золотника, соответственно, м2; [■",„, Г,,,/ - гидродинамические силы потоков жидкости из камеры рабочего хода в сливной канал и из напорного канала в камеру рабочего хода, соответственно, Н; - сила реакции при взаимодействии плунжера управления и золотника, Н; У0 - объем расточки под напорный пневмогидравлический аккумулятор распределительной плиты, м3; /да, 1м, /<№ - логические операторы, включающие расходы 0„у, О„>г, Отг2, соответственно; Ещ,, - переменный модуль упругости в участке сливного канала распределительной плиты, соединенного с выходным штуцером, Па; V, - объем участка сливного канала ГУУД от входного штуцера до соединения с золотниковым распределителем, м3; 5г - площадь дроссельного отверстия в золотнике, м2; рг/, ра рр, р., р,, рл, р^, рт -

Рис. 3. Расчетные схемы объекта «ГУУД»: а - сил; б - давлений и расходов.

- давления (рис. 3. б), Па; 0„у, <2,,2, 0„уг. ОпуЛ О./, 6» 0» - расходы (рис. 3, б), м7с.

После формализации всех объектов была составлена схема всей модели на рис. 4 и программа для ЭВМ "Ударник".

В третьей главе представлены результаты экспериментальных исследований гидропневматической силовой импульсной системы с ГУУД с управляемой камерой рабочего хода, задачей которых являлось определение условий и режимов работы системы, позволяющих добиться наибольшей эффективности.

Исследования проводились в цехе УИЛ «Импульсные технологии» на заводе ОАО "УПК Орел ГТУ" на полноразмерном стенде (рис.5).

б) I-1

Рис. 5. Стенд для проведения экспериментальных исследований: а - общий вид, б - схема стенда и подключения контрольно-измерительной аппаратуры: 1 - рама; 2 - буфер; 3 - подвижная рама; 4 - ГУУД 2944М;

5 - гидроцилиндр подачи; 6- насосная станция

Подключение гидроцилиндра подачи производилось по дифференциальной схеме, что позволило компенсировать жесткость буфера и амортизировать действие ударных нагрузок на стенд.

При проведении экспериментальных исследований использовались следующие приборы и контрольно-измерительная аппаратура: датчик давления ДДИ-20 № СС0115; нормирующий преобразователь НП-03Т №22; манометр ТМ-521ТС (0-25МПа); осциллограф 005830 № С180501; счетчик жидкости ДД-25-1.6СУ X» 00523; нутромер НИ-160 № 1806; микрометр МК-125 № 9377; гигрометр психрометрический ВИТ-2 № 22; секундомер механический СОСпр-2б-2-ОЮ № 9496; штангенциркуль ШЦ-1; индукционный датчик скорости, разработанный в УИЛ "Импульсные технологии" и тарированный на специальном стенде.

Чтобы получить высокую выходную мощность ГУУД, используя ограниченную производительность насоса (1.580±0.034 л/с) требовалось увеличить среднее давление в напорном коллекторе. Однако, при средних давлениях 5-6 МПа ГУУД прекращало работать - боек останавливался. Затем в сливной трубопровод из ГУУД (^.=20мм, длина 3.5 м) были включены два дополнительных трубопровода диаметром ¡^,=12мм длинной 1.8 и 1.4 м, что позволило увеличить давление в напорном коллекторе до 9.6±1.2 МПа (соответственно увеличивали давление предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора), осциллограммы этого режима работы представлены на рис. 6.

Рис. 6. - Экспериментальные осциллограммы изменения скорости бойка (/) Г'УУД и давления (2) в напорном коллекторе (давление предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора 7МПа):

Дальнейшее увеличение давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора и соответствующее увеличение давления в напорном коллекторе привело сначала к уменьшению предударной скорости бойка, а затем остановки. Выводы: в реальной гидропневматической силовой импульсной системе при работе возможны неустановившиеся режимы, которые не позволяют увеличить среднее давление; основные факторы влияющие на режим работы: жесткость механизма подачи, сопротивление сливного трубопровода, соотношение давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора к среднему давлению в системе.

Оценка сходимости результатов численных расчетов и экспериментальных данных представлена на рис. 7.

Рис. 7. - Зависимости предударной скорости бойка и частоты ударов по результатам расчета и эксперимента

Наибольшее расхождение выявлено по частоте процессов, которая по эксперименту больше на 17-25%. Основные причины: при измерении давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора не учитывалась конструкция зарядного клапана, из-за которого фактическое давление предварительной зарядки было ниже; отличие размеров длин ступеней золотника от номинальных на величину допуска (±0.55 - ±0.8) и другими.

Расхождения по частоте колебаний давления соответствуют расхождениям в частоте ударов ГУУД.

При качественном сравнении установлено сходство характера расчетных скорости бойка и давления в напорном коллекторе (рис. 8) экспериментальным данным (рис. 6).

70 г.ыин

5 Г.ыим -*-120гУнил

Рис. 8. - Расчетные диаграммы изменения скорости бойка и давления в напорном коллекторе

В целом модель адекватна физическому объекту - гидропневматической силовой импульсной системе. Следовательно, результаты численных экспериментов являются корректными и подлежат анализу для оценки влияния различных факторов на эффективность работы, с учетом допущений при составлении расчетных формул.

В четвертой главе исследованы факторы, влияющие на эффективность работы системы. Динамические режимы работы разделены на установившиеся и неустановившиеся. Критериями установившихся режимов работы принято: соответствие амплитудно-частотных характеристик диаграмм скорости бойка для достаточно большого числа циклов и минимальные амплитуды колебания давления в системе.

Проведена оценка влияния давления предварительной зарядки напорного пневмогид-равлического аккумулятора (рис. 9).

__ ра„ МПа

Рис. 9. Зависимости амплитуды колебания давления в напорном коллекторе (а) и энергии удара (б) от давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического

аккумулятора

Диапазон рационального давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора определен по максимальной энергии удара (рис. 9, а), которая соответствует наименьшим амплитудам колебания давления (рис. 9, б): от 7 до 8 МПа для производительности 70 л/мин; от 7 до 8.5 МПа для 94.5 л/мин; от 7.5 до 8.5 МПа при 120 л/мин.

По критерию наименьших амплитуд колебания давления определена область установившихся режимов работы системы - рис.10, где показана зависимость коэффициента равномерности К=Рм^Ртах от соотношения ра1/Рср, (р<,1 - давление предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора, Рср - среднее давление в напорном коллекторе за цикл).

Определен диапазон рациональных значений соотношения р„1/Рср=0.74-0.85 для гидропневматических силовых импульсных систем с предохранительным клапаном непрямого действия.

Проведена оценка влияния гидравлических сопротивлений в сливном трубопроводе из ГУУД. Для этого использовалось известное условие работоспособности для гидравлического привода с дроссельным регулированием:

(16)

р" ''р"" где грас„ - располагаемая ско-

рость. обусловленная механической характеристикой привода, м/с; V, - требуемая скорость, обусловленная нагрузкой, в данном случае в качестве нагрузки выступает сопротивление сливного трубопровода. Затем предложена упрощенная методика расчета и оценки выполнимости этого условия, по формулам: О. ■

, .1 ■Л 1 V/ (/ 1 ' ш

1 щ t / 1 Sl . | X VV, гл -1 1

;i ■§ 1: ■ - | а I г, ■1

1 ¡1! f .41 L .

Si 11 1 1 г Л \ 1-

— 70 |Умин • 94.5 Лг'мун

V.» и.э и.О и./ U.D ил 1

Рис. 10. Зависимости коэффициента равномерности давления от соотношения p„i/Pcr

Р,-

■ К■./.;, -f-t-h-К ■ (р, + p„)-dp-2- А }

s. + / -rc-h-d

0„ =

У/А.-^Ц-

tf 2 d, l-s; „ - Q* ■

►If.

__

2-Sl

(17)

(18)

(19)

(20)

где О,, - производительность насоса, м3/с; Оя - расход в сливной трубопровод из ГУУД, м7с; рр - давление в камере рабочего хода, которое возникает из-за сопротивлений в сливном трубопроводе и определяется из условия равномерного движения, МПа;/, ¿/, <4 Л) - коэффициент потерь по длине, длина (м), диаметр (м) и площадь поперечного сечения (м") ¡-го участка сливного трубопровода из ГУУД, соответственно; ¿"т, - площадь поперечного сечения 1-го местного сопротивления, м2; - коэффициент ¡-го местного сопротивления; / - коэффициент трения манжет, й - высота активной части манжеты, м; с1х, с1р - диаметры ступеней бойка со стороны камер холостого и рабочего хода, соответственно, м; рк - контактное давление, возникающее при монтаже манжеты. Па.

Коэффициенты потерь /, рассчитываем для турбулентного режима течения жидкости. При расчете коэффициентов потерь/¡, для определения чисел Рейнольдса делаем допущение, что вся производительность насоса идет на поддержание скорости бойка, значит расход в сливной трубопровод будет равен:

0,=0,А- (21)

Л(

Такое допущение возможно потому, что сопротивления по длине сливного трубопровода обычно для строительных и дорожных машин значительно меньше местных сопротивлений.

Выполнен расчет, по выше приведенной методике, для системы, показанной на рис. 1 и по условию (16) проверена работоспособность. На рис. 11 представлена зависимость соотношения требуемой скорости к располагаемой в зависимости от среднего уровня давления в напорном коллекторе.

По данным расчета система работоспособна при всех уровнях среднего давления - рис. 11. Но при эксперименте система переставала работать раньше чем выполнялось условие (16), появлялись неустановившиеся режимы работы.

Это объясняется тем, что фактическая располагаемая скорость меньше расчетной из-за расхода на механизм подачи, компенсацию утечек и других факторов.

Следовательно, такой упрощенной методикой можно пользоваться, если учитывать некоторый запас расчетной располагаемой скорости над требуемой, поэтому принимаем условие оценки работоспособности'.

V» - Кш, ■ V,, (22)

где К,а„ - коэффициент запаса, который принимаем равным 1.6, в соответствии с экспериментальными данными.

Анализ уравнений (18), (19), (20) показал, что увеличить область установившихся режимов работы возможно, при увеличении: производительности насоса или сопротивления сливного трубопровода из ГУУД или площади камеры рабочего хода. Но более эффективным способом является введение силовой пневмокамеры, изменяющей баланс сил:

_ Р, •■>',-/'., + р• 2 • рк | ^ (-23)

где р„ - давление в силовой пневмокамере (среднее в период холостого хода), Па; - площадь торца бойка, на ко горую воздействует давление в пневмокамере, м2.

С помощью вычислительного эксперимента изучено влияние силовой пневмокамеры на энергию и частоту ударов ГУУД с управляемой камерой рабочего хода. Рассчитано, что при тех же производительности насоса и среднего уровня давления в напорном коллекторе можно получать энергию удара до 89% больше, рис.12. При этом частота ударов снижается всего на 13% рис. 12.

ударов от давления предварительной зарядки силовой пневмокамеры

Основные результаты и выводы

1. В диссертации решена актуальная научно-техническая задача повышения эффективности гидропневматической силовой импульсной системы СДМ с помощью нового подхода, заключающегося в обеспечении установившегося режима работы системы.

2. В результате обзора и анализа результатов, ранее выполненных теоретических и экспериментальных исследований, установлено, что недостаточно изучены режимы работы гидропневматических силовых импульсных систем с ГУУД с управляемой камерой рабочего хода; также установлены критерии оценки эффективности работы систем.

3. Разработана, па основе объекгно-ориентированного метода, математическая модель гидропневматической силовой импульсной системы, учитывающая разветвленную гидравлическую схему СДМ и динамические процессы в ее элементах: предохранительном клапане, трубопроводах, ГУУД, гидроцилиндре подачи и других.

4. Экспериментальные исследования подтвердили возникновение неустановившихся режимов работы, ведущих к остановке бойка ГУУД. Установлены факторы, приводящие к появлению неустановившихся режимов, основные из которых: давление предварительной

щ

/

Рис. 11. Зависимость соотношения требуемой скорости к располагаемой от среднего уровня давления в напорном коллекторе

Рис. 12. Зависимости энергии и частоты

зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора и сопротивление сливного трубопровода из ГУУД.

Сравнительный анализ экспериментальных данных и расчетных значений показал качественное сходство, а количественное расхождение в частоте процессов составляет 17-25%.

5. Установлена область установившихся режимов работы системы в зависимости от давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора, выбираемого по соотношению pai/PcP =0.74-0.85, в этом диапазоне энергия удара повышается от 21% до 30.5%, а частота ударов снижается незначительно, на 5-7%.

6. Представлена упрощенная методика расчета и оценки работоспособности системы в зависимости от сопротивления сливного трубопровода из ГУУД, которое необходимо для того, чтобы напорный пневмогидравлический аккумулятор не разряжался во время холостого хода.

7. Обосновано введение в конструкцию ГУУД, с управляемой камерой рабочего хода, силовой пневмокамеры, за счет которой возможно увеличить среднее давление в напорном коллекторе, при этом обеспечить установившийся режим работы. Применение силовой пневмокамеры позволяет увеличить энергию удара в полтора раза.

8. Результаты работы положены в основу рекомендаций по повышению эффективности существующих и проектируемых гидропневматических силовых импульсных систем СДМ.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК России:

1. Щекочихин, А. В. Гидромолоты: идентификация как способ получения информации [Текст] / Л.С. Ушаков // Строительные и дорожные машины №2/2011 - С. 10-12.

Научные статьи:

2. Щекочихин, A.B. Комплекс для исследования гидроударников [Текст] / P.A. Ределин, Д.Н. Фабричный // ИНЖИНИРИНГ-2009: сб. трудов региональной научно-практической конференции - Орел, 2009. - С. 214 - 217.

3. Щекочихин, A.B. Методика инженерного расчета и выбора параметров гидравлического ударного устройства (гидромолота) по ограничивающему фактору установленной мощности базовой машины [Текст] / Л.С. Ушаков, Д.Н. Фабричный // Известия ОрелГТУ (сер. Мир транспорта и технологических машин) - 2009. - № 4/27(571). - С. 60-65.

4. Щекочихин, A.B. Идентификатор гидравлических молотов (гидроударников) [Текст] / Ю.Н. Каманин, Л.С. Ушаков //Ударно-вибрационные системы, машины и технологии. Материалы IV международного научного симпозиума - Орел: ОрелГТУ, 2010. - С. 61-64.

Патент:

5. Гидравлическое устройство ударного действия: пат. 2412324 Рос. Федерация: МПК Е 21 В 1/26 / A.B. Щекочихин, Л.С. Ушаков, Н.Д. Фабричный; заявитель и патентообладатель Орловский гос. технич. ун-т. - №2009127907/03; заяв. 20.07.09; опубл. 20.02.11, Бюл. №5. -6с.: ил.

Свидетельство о регистрации программы:

6. "Ударник": свидет. о регистр, прог. для ЭВМ 2011610771 Рос. Федерация: / A.B. Щекочихин, В.А. Кравченко, Л.С. Ушаков; заявитель и правообладатель Орловский гос. технич. ун-т. -№2010615930; заяв. 28.09.10; зарег. 13.01.11.

Подписано в печать 16 февраля 2012 г. Формат 60x84 1/20. Бумага офсетная. Печ. л. 1,0 Тираж 100 экз. Заказ № 1321

Отпечатано на полиграфической базе ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» Адрес: 302020, г.Орел, Наугорское шоссе, 29

61 12-5/2636

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ -УЧЕБНО-НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННЫЙ КОМПЛЕКС»

На правах рукописи

Щекочихин Александр Викторович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКОЙ СИЛОВОЙ ИМПУЛЬСНОЙ СИСТЕМЫ МНОГОЦЕЛЕВОЙ СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНОЙ МАШИНЫ

05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Ушаков Леонид Семенович

Орел-2012

Содержание

Введение............................................................................................................... 5

1 Обзор и анализ гидропневматических силовых импульсных систем, применения и теоретического исследования, цель и задачи работы.....................................................................9

1.1 Область применения строительных и дорожных машин с гидропневматическими силовыми импульсными системами................................9

1.2 Анализ использования гидропневматических силовых импульсных систем............................................................................................12

1.3 Задачи теоретического исследования гидропневматических силовых импульсных систем...................................................................................................14

1.4 Критерии оценки эффективности работы гидропневматических силовых импульсных систем...................................................................................................16

1.5 Анализ математических моделей гидропневматических силовых импульсных систем.................................................................................................,.22

1.6 Анализ работ в области гидравлических устройств ударного действия с управляемой камерой рабочего хода.....................................................................26

1.7 Цель и задачи исследований...............................................................................28

Выводы..........................................................................................29

2 Математическая модель гидропневматической силовой

импульсной системы...........................................................30

2.1 Исходные условия и формализация структуры гидропневматической силовой импульсной системы................................................................................ 31

2.1.1 Формализация объекта «коллектор».............................................................33

2.1.2 Формализация объекта «гидроцилиндр».........................................35

2.1.3 Формализация объекта «дроссель»................................................39

2.1.4 Формализация объекта «тройник»................................................40

2.1.5 Формализация объекта «клапан непрямого действия»........................41

2.1.6 Формализация объекта «напорный трубопровод»..............................48

2.1.7 Формализация объекта «сливной трубопровод».................................50

2.1.8 Формализация объекта «аккумулятор»............................................51

2.1.9 Формализация объекта «золотник»................................................54

2.1.10 Формализация объекта «ГУУД»............................................................58

2.1.11 Формализация объекта «датчик»..................................................82

2.1.12 Формализация объекта «давлениен».............................................87

2.1.13 Формализация объекта «давлениес».............................................88

2.1.14 Формализация объекта «давлениеу»............................................89

2.1.15 Формализация объекта «плунжер»...............................................90

2.1.16 Формализация объекта «реакция»................................................91

2.1.17 Формализация объекта «реакция2»..............................................94

2.1.18 Формализация объекта «реакцияЗ»..............................................95

2.1.19 Формализация объекта «реакция4»...............................................96

2.1.20 Формализация объекта «реакция5»...............................................98

2.1.21 Формализация объекта «удар».....................................................99

2.1.22 Формализация объекта «буфер».................................................101

2.2 Программа для ЭВМ "Ударник"......................................................102

Выводы........................................................................................104

3 Экспериментальные исследования гидропневматической силовой импульсной системы.............................................105

3.1 Задачи экспериментальных исследований.........................................105

3.2 Место и условия проведения исследований.......................................105

3.3 Экспериментальный стенд............................................................ 106

3.4 Измерительно-регистрирующая аппаратура................................... ....110

3.5 Подготовка и проведение исследований............................................111

3.6 Обработка результатов измерений.................................................. 131

3.7 Оценка адекватности математической модели гидропневматической

силовой импульсной системы реальной конструкции..............................134

Выводы........................................................................................141

4 Исследования факторов, влияющих на режимы работы и эффективность гидропневматической силовой импульсной системы..........................................................................142

4.1 Влияние давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора на режимы работы гидропневматической силовой импульсной системы............................................................144

4.2 Исследование влияния сопротивления сливного трубопровода на работу гидропневматической силовой импульсной системы с гидравлическим устройством ударного действия с управляемой камерой рабочего хода.........152

4.3 Влияние давления предварительной зарядки силовой пневмокамеры гидравлического устройства ударного действия с управляемой камерой рабочего хода.................................................................................160

4.4 Рекомендации по повышению эффективности гидропневматической силовой импульсной системы при заданной энерговооруженности привода

многоцелевой строительно-дорожной машины......................................163

Выводы........................................................................................166

Заключение........................................................................................................167

Список использованных источников.....................................................169

Приложение А Свидетельство о приемке датчика ДДИ-20 в комплекте с

нормирующим преобразователем НП-ОЗТ ...............................................175

Приложение Б Характеристики датчика давления ДДИ-20 и

преобразователя НП-ОЗТ..................................................................176

Приложение В Свидетельство о поверке осциллографа 008-830................177

Приложение Г Тарировка датчика скорости...................................................178

Приложение Д Определение производительности насоса......................179

Приложение Е Внедрение результатов работы....................................180

Введение

Актуальность темы Для увеличения объема производства нерудных строительных материалов более чем в два раза, в соответствии со стратегией развития промышленности строительных материалов на период до 2020 г., большое внимание должно уделяться новым технологиям ведения работ и технике для их осуществления. Поэтому, в последние годы активно развиваются гидропневматические силовые импульсные системы многоцелевых строительно-дорожных машин (СДМ), применяемые при дроблении пород, разрушении твердых покрытий, строительных конструкций.

Однако, лишь незначительная часть выпускаемых базовых СДМ проектировалась с учетом возможности оснащения их гидравлическими устройствами ударного действия (ГУУД), которые, обычно, устанавливаются на манипуляторах и находятся на периферии по отношению к насосным станциям. Это приводит к нарушению согласованности параметров гидропривода и ГУУД, уменьшению КПД гидропневматической силовой импульсной системы, снижению производительности оборудования. Причиной тому является сложность гидропневматических силовых импульсных систем, характеризующихся протяженностью и большим числом различных, включенных в нее, элементов, сложностью их характера функционирования, включающим совокупности состояний.

В связи с этим, исследования по повышению эффективности работы гидропневматической силовой импульсной системы СДМ, направленные на обоснование параметров гидропривода и совершенствование конструкции ГУУД являются актуальными для развития производственной базы строительных и дорожных машин.

Исследования выполнялись в рамках этапа темы ЕЗН Министерства высшего образования РФ (тема 1.6.05, № госрег 0120.0 504939, инв. № 5697, Орел-ГТУ, 2006), «Установление и исследование зон устойчивости режимов движения, гидропневмомеханических систем с внешними воздействиями в виде случайных функций», а также в рамках программы работы УИЛ (ПНИЛ) «Импульсные технологии» за 2007-2011 гг. ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» (ранее ГОУ ВПО ОрёлГТУ).

Цель работы - повышение эффективности гидропневматической силовой импульсной системы СДМ, за счет обеспечения установившегося режима работы, при заданной её энерговооруженности.

Идея работы: установившийся режим работы системы, при заданной энерговооруженности СДМ, достигается на основе регулирования давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора и сопротивления сливного трубопровода из ГУУД, а также введения силовой пневмокамеры в ГУУД.

Для достижения цели поставлены и решены задачи:

- выполнить обзор и анализ области применения, результатов теоретических и экспериментальных исследований, установить критерии оценки эффективности гидропневматических силовых импульсных систем;

- разработать математическую модель гидропневматической силовой импульсной системы, описывающею разветвленную гидравлическую схему и динамические процессы в ее элементах;

- провести экспериментальные исследования гидропневматической силовой импульсной системы на полноразмерном стенде для определения режимов работы и основных влияющих факторов, выполнить оценку сходимости результатов численных расчетов и экспериментальных данных;

- провести вычислительные эксперименты для количественной оценки основных влияющих факторов на режимы работы гидропневматической силовой импульсной системы, а также силовой пневмокамеры в ГУУД;

- разработать рекомендации по обеспечению установившихся режимов работы и совершенствованию конструкции гидропневматических силовых импульсных систем.

Объектом исследования является гидропневматическая силовая импульсная система с ГУУД с управляемой камерой рабочего хода.

Предметом исследования являются динамические процессы взаимодействия функциональных элементов в гидропневматической силовой импульсной системе.

Методы исследований: анализ области применения и результатов теоретических и экспериментальных исследований импульсной техники; математическое моделирование процессов в гидропневматической силовой импульсной системе; экспериментальные исследования режимов работы системы; статистическая обработка экспериментальных данных.

Научная новизна работы:

- разработана математическая модель гидропневматической силовой импульсной системы на основе метода объектно-ориентированного моделирования, отличающаяся тем, что описывает разветвленную гидравлическую схему и динамические процессы в ее элементах: предохранительном клапане, трубопроводах, ГУУД и других;

- в результате экспериментальных исследований установлено, что основными влияющими факторами на режим работы являются давление предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора в ГУУД и параметры сливного трубопровода из ГУУД;

- установлены зависимости, позволяющие определить рациональные значения давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора в ГУУД и параметров сливного трубопровода из ГУУД;

- обосновано введение в ГУУД с управляемой камерой рабочего хода силовой пневмокамеры, работающей совместно с гидравлической.

Достоверность полученных результатов достигается применением классических теорий механики твёрдого тела, жидкости и газа, прикладной теории ударных систем, а также известных математических методов решения дифференциальных уравнений и удовлетворительной сходимостью результатов численных расчетов и экспериментальных данных, полученных на полноразмерном стенде.

На защиту выносятся:

- математическая модель гидропневматической силовой импульсной системы и программа для ЭВМ «Ударник» (свидетельство о регистрации № 2011610771 от 13.01.2011) для исследования процессов в гидропневматических силовых импульсных системах;

- установленные факторы, влияющие на режим работы системы: давление предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора в ГУУД и сопротивление сливного трубопровода из ГУУД;

- зависимость для определения рационального давления предварительной зарядки напорного пневмогидравлического аккумулятора в ГУУД и методика определения работоспособности системы в зависимости от сопротивления сливного трубопровода из ГУУД.

Практическая ценность работы:

- создана программа для ЭВМ «Ударник» для исследования процессов в гидропневматических силовых импульсных системах (свидетельство о регистрации № 2011610771 от 13.01.2011);

- разработана новая конструкция клапанного механизма пневмогидравли-ческого аккумулятора (заявка на получение патента №2011 140182 от 3.10.11);

- разработана новая схема ГУУД (защищена патентом №2412324);

- рекомендации по выбору рациональных параметров гидропневматических силовых импульсных систем строительных и дорожных машин.

Реализация работы:

- модернизирован стенд для экспериментальных исследований гидропневматических силовых импульсных систем;

- создан модернизированный клапанный механизм пневмогидравлического аккумулятора;

- результаты исследований переданы кафедре «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины» и УИЛ «Импульсные технологии» ФГБОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК» для использования в учебном процессе.

Апробация работы. Результаты моделирования и экспериментальных исследований представлялись и докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГБОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» (ранее ГОУ ВПО ОрелГТУ) (2008-2011 гг), IV международном научном симпозиуме «Ударно-вибрационные системы, машины и технологии» (г. Орел, 2010 г.), региональной научно-практической конференции «ИНЖИНИРИНГ - 2009» (г. Орел, 2009 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 статьи, в т.ч. одна в изданиях, рекомендованных ВАК, получен патент и свидетельство о регистрации программы и подана одна заявка на патент.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 81 наименования, 6 приложений и содержит 181 страницу, в том числе 174 страницы основного текста, в котором 7 таблиц, 103 рисунка, и 7 страниц приложений.

1. ОБЗОР И АНАЛИЗ ГИДРОПНЕВМАТИЧЕСКИХ СИЛОВЫХ ИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ, ПРИМЕНЕНИЯ И ТЕОРЕТИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

1.1 Область применения строительных и дорожных машин с гидропневматическими силовыми импульсными системами

В послании Президента РФ Федеральному Собранию РФ 26.04.07 года одной из основных задач поставлено строительство 1 кв.м. жилья на каждого жителя страны [1]. Эта задача лежит в основе Стратегии развития промышленности строительных материалов на период до 2020 г. [2], которая предполагает значительное увеличение объемов производства основных строительных материалов, к которым относятся нерудные строительные материалы - НСМ. Объем их производства нужно увеличить более чем в два раза по инновационному варианту - в 2,4 раза или 1,9 раза при инерционном варианте развития экономики относительно 2008 года.

Нерудные строительные материалы также широко востребованы в дорожном строительстве. Согласно президентской программы «Дороги России XXI века» институтом СоюздорНИИ был выполнен анализ потребности в дорожно-строительных материалах для ее выполнения, включая щебень и установлено, что потребность в щебне в 2011-20 годах должна возрасти в три раза в сравнении с периодом 2006-10 годов и составить 370,1 млн.куб.м [3].

Чтобы обеспечить такие показатели большое внимание должно уделяться новым технологиям ведения работ и технике для их осуществления. Поэтому в наше время активно развивается одно из направлений импульсной техники -гидропневматические силовые импульсные системы. Они находят широкое применение прежде всего при дроблении пород. На конференции в Москве [4] отмечено преобразование в горной отрасли промышленности строительных материалов, заключающееся в том, что вместо стационарных дробильно-сортировочных заводов внедряются модульные полустационарные и самоходные перерабатывающие комплексы. Повышение эффективности такого комплекса можно достичь установкой манипулятора с устройством ударного

действия, насосная станция которого работает от электропривода. Преимущества такого решения уже успели оценить руководители зарубежных перерабатывающих заводов. Так Тед Плегар президент корпорации карьеров скальной долины объясняет: "С установкой системы наше производство увеличилось до 500 тонн в день и эффективность нашей работы повысилась от 10 до 12 процентов" [5]. Это было достигнуто за счет того, что время простоев было минимизировано на 50 процентов из-за меньшего зависания на питателе и первичной дробилке. В компании HAMME